CN102588869A - 一种太阳光直接照明隧道装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳光直接照明隧道装置，针对目前利用太阳光实现公路隧道过渡段照明的各种方法及装置在实际应用中的效率不高等不足之处，在仔细分析隧道进、出口区段(50米左右)都呈直线性等具体特点的基础上完成的。本发明采用先汇聚太阳光并调整光路后以高亮度平行太阳光直接从隧道顶部直线照射进去，再分别反射到路面的方式，有效实现了太阳光高效率低成本的直接实现隧道过渡区增强照明的目标。

Description

一种太阳光直接照明隧道装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能照明装置，具体涉及一种具有自适应功能的太阳光直接照明隧道装置。

背景技术

开发利用以太阳能为代表的新能源已经作为我国可持续发展战略的能源基本决策，但是其具体应用目前主要以太阳能热水器和太阳能光伏发电二种方法为主，而且照明用电已经占有总电量的15％左右，然而由于光伏发电的低效率高成本特性使其应用受到很大限制。对于位置偏僻的公路隧道，利用太阳能光伏发电系统作为照明电源当然是最佳方案之一，这就是通常所说的光-电-光利用方式，即利用PV(光伏电池)板把太阳光能转换成电能贮存在蓄电池中，然后再提供给发光器件LED(发光二极管)实现照明；这种示范工程仅有为数不多的几例，同样也是由于太阳能利用效率效率太低而未能得以大范围推广。所以，研究公路隧道的内在规律和提高太阳能的利用率，就成为太阳能在隧道照明利用推广应用的关键。

对于公路隧道来说，除了必须安装昼夜照明系统保证基本照明亮度要求外，还有一个很大的特点，就是汽车驾驶员特别要求隧道进出口一段距离内(简称亮度过渡区间)的亮度梯度(亮度变化率)必须限制在一定范围内，否则将会出现“黑洞”和“白洞”现象而造成行车事故，即在这个重要的也是最危险的区段内亮度(相比于外面环境亮度)是一个相比于外面环境亮度的相对值而非绝对值；一旦经过这个亮度过渡区间后驾驶员已经适应灯光亮度的变化，驾驶员眼睛的视力已经恢复正常后也就不存在上述问题了。例如汽车驾驶员从中午太阳光很强(如60000Lx)的公路上一旦以较高速度进入(光线较弱(200Lx)的)隧道内(200Lx)的很短时间内，由于亮度变化梯度太大，往往会引起驾驶员眩晕感甚至在短时间内失去视力而发生事故。而在阴雨天，即隧道外面光线比较弱(如5000Lx)的时候，对于相同或者更低的隧道内照明亮度，驾驶员则不存在上述问题。特别是这种情况的极端现象-----夜晚，对于驾驶员来说，隧道外公路上的亮度相对隧道内部照明对于驾驶员来说，甚至是从光线暗处进入亮处，就根本不存在不适应问题。根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)技术标准关于目前隧道照明系统中过渡区间的亮度设计要求，一般把隧道进出口分为入口区、过渡区、中间区和出口区等四个区段，并要求在进出口区除了安装基本照明灯外，还要安装增强照明灯组，以便根据隧道外面的亮度(太阳光强度)变化而自动调节照明光源的强度，以达到节省能源的目标。但是由于自动控制系统工作环境太差等原因而导致故障率高，其系统维修保养又有很大困难，所以实际工程中大部分仍然采用固定亮度照明方案：即隧道过渡区的亮度梯度值必须小于夏天中午最强太阳光照射下的亮度梯度极限，这个极限数据显然对光照较弱的(除了夏天以外的三个季节，特别是)冬天、阴雨天以及晚上来说，在亮度过渡区间照明光源就存在着严重的能源浪费现象。

综上所述，如果直接利用太阳光能实现隧道进出口处的照明，恰好能够满足这个要求。所以发明人先后研制了具有自主知识产权的“阳光输送机”和“PV-LED太阳能直接照明系统”产品用于隧道出入口处的增强照明，虽然其太阳能利用效率明显提高，但是在制作成本和运行可靠性等使用性能方面仍然存在一定缺陷。所以进一步寻找高效率利用太阳光能直接实现隧道进出口处的增强照明的方法及装置，对于节约能源和推广太阳能应用意义重大。

发明内容

本发明的目的在于针对目前利用太阳光实现公路隧道过渡段照明的各种方法及装置在实际应用中的效率不高等不足之处，提供一种能够有效实现太阳光高效率、低成本直接完成隧道过渡区增强照明目标的太阳光直接照明隧道装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括安装在隧道口上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜；所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱曲面聚光镜，以及与抛物柱曲面聚光镜具有同一个焦点的抛物柱曲面调光镜，平行太阳光经抛物柱曲面聚光镜汇聚后再经过抛物柱曲面调光镜调整光路后重新成为平行光，然后从抛物柱曲面聚光镜的出射槽中输出到导光镜，其中导光镜的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外处，其安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器的高度；在隧道顶部位于导光镜的光路中安装有倾斜平面玻璃板或平面反射镜组将太阳光输导到隧道中各处路面上。

所述的反射镜组中的若干个反射镜分别安装于基本照明灯之间。

所述的聚光器和导光镜还分别与高精度太阳光跟踪系统相连接。

所述的聚光镜的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度部分的高度。

所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜安装在该亮度缓冲建筑上。

本发明分析了在隧道进、出口区段(50米左右)都呈直线性等具体特点的基础上，设计了采用汇聚太阳光并调整光路后以高亮度平行太阳光直接从隧道顶部直线照射进去，再分段反射到路面的方式，有效实现了太阳光高效率低成本的直接实现隧道过渡区增强照明的目标。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括安装在隧道口增加建设的亮度缓冲建筑4上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜2，其中聚光器还与高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置相连接(一种高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置，专利号：ZL200910254626.4)，所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱曲面聚光镜11，以及与抛物柱曲面聚光镜11具有同一个焦点的抛物柱曲面调光镜13，平行太阳光经抛物柱曲面聚光镜11汇聚后再经过抛物柱曲面调光镜13调整光路后成为平行光，然后从抛物柱曲面聚光镜11的出射槽12中输出到导光镜2，聚光镜11的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽12的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度高度，其中配置有自动跟踪系统的导光镜2的反射光线与隧道方向相同且安装高度取决于聚光器与隧道上部弧形区域高度；在隧道顶部位于导光镜2的光路中安装有几大块倾斜平面玻璃板或由若干平面反射镜组3将太阳光输导到隧道中各处路面上，其中反射镜组3中的若干个反射镜分别安装于基本照明灯之间。在隧道进出口处向外一定延时距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑4，其功能是减缓隧道入口处的太阳光强度的同时，再为太阳能聚光器和反光镜的整体设计安装创造良好的条件，而且保证了太阳光以最短的距离传输进隧道。

本发明通过抛物柱曲面聚光镜11以汇聚方式大幅度提高太阳光强度(十倍左右)，再经过抛物柱曲面调光镜13调整光路后成为平行光，而且二者机械结构上成为一体，其中玻璃反射曲面构成的反射体11的开口长度L、宽度W分别主要取决于系统聚光比例(≈L/W1)和隧道宽度；中间开的出射槽12的宽度W1主要取决于隧道的高度或者顶部弧度高度(隧道下部矩形截面会被大型货车所占用而不能作为太阳光输送通道)；其与聚光体长度比值L/W1就是其聚光比例。

平面导光镜2把抛物柱曲面调光镜13汇聚后的平行太阳光输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间(在距离路面高度≥4.7米至隧道顶部空间)，以防止行驶于道路上的大型货车的遮挡而影响太阳光的传输，而且光轴与隧道顶部平行，所以其本身安装固定的空间位置主要取决于聚光器和隧道入口处的高度。

隧道顶部的平行太阳光通过安装在需要照明直线长度段的倾斜平面玻璃板或者由安装于隧道顶部不同高度的平面反射镜组3中的31、32、33等若干个反射镜把太阳光输导到隧道中各处路面上，而且反射镜组中的31、32、33反射镜分别安装于基本照明灯之间，以保证隧道路面光照均匀性；从而实现太阳光高效率低成本在隧道进出口处过渡区的直接增强型照明。

在隧道进出口处向外一定距离(根据需要设计)的公路上增加具有一定强度的钢构透明的亮度缓冲建筑4，功能之一是有效降低了汽车进入隧道时的亮度，相对减小了对隧道进出口处增强照明的强度要求；而且再把本系统的设计安装与之进行一体化统一设计优化，在增加很小成本的情况下，既有效实现了过渡区亮度的缓冲功能，又方便了本装置的安装施工，而且由于系统照明距离最短使得太阳光直接照明效率明显提高的效果。

对于南北方向的隧道来说，处于南面(对于地球北半球)入口处过渡区的太阳光直接增强照明系统(聚光器和导光镜2)直接整体设计并安装于隧道口延长的亮度缓冲建筑物4上面，其主要优点是：第一，最大限度减小了传输距离，简化了系统结构有利于太阳光的输送效率的提高和成本的降低；第二，该亮度缓冲建筑物已经有效的降低了入口处的亮度，减小了对增强照明组亮度的要求，第三，因为本装置直接采集太阳光进行隧道照明，所以本身就对具备自适应太阳光的特性。而对于北面出入口处的过渡区增强照明，依此不难推得，仅把导光镜2的倾斜方向转动到垂直对称位置即可实现，具体过程不再叙述。

在白天太阳光照射下，随着隧道外面亮度的增加，聚光器和导光镜2在自动跟踪系统的驱动下，把太阳光经过汇聚后再变换成平行光，并直接从隧道上部输导进隧道里进行直线传输，在此期间除了太阳光本身被灰尘等隧道里空气中的微粒散射而对经过之处的整个隧道具有一定的照明功能外，在利用专门安装于隧道顶部高度不同的反光镜3直接照射到路面，高效率低成本以及自动处于最佳工作状态，实现了隧道进出口过渡区增强照明。

对于东西方向或者其它任意方向的隧道出入口处的过渡区增强照明，因为上面所述的从出射槽12得到的已经为汇聚后的平行太阳光，所以可以根据需要在此基础上再增加一个调整水平面上太阳光方向(角度)的平面反射镜即可。例如对于正东西方向的隧道，在此基础上直接再增加安装一个在水平方向改变光路方向90°的反光镜即可实现把平行太阳光导向隧道进出口的方向。

因为这种方法是在多年研究太阳能聚光应用、特别是隧道进出口处过渡区增强照明光源应用研究和应用的基础上制作的，其系统整体结构简单，太阳光输送过程损耗小，太阳能利用率高，本身就具有自适应隧道外面太阳光强度的特性，所以作为隧道进出口过渡区直线段的增强型照明光源是最佳选择；当然节能减排的社会效益更是明显，具有很大的实用价值。

Claims (5)

1.一种太阳光直接照明隧道装置，其特征在于：包括安装在隧道口上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜(2)；所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱曲面聚光镜(11)，以及与抛物柱曲面聚光镜(11)具有同一个焦点的抛物柱曲面调光镜(13)，平行太阳光经抛物柱曲面聚光镜(11)汇聚后再经过抛物柱曲面调光镜(13)调整光路后重新成为平行光，然后从抛物柱曲面聚光镜(11)的出射槽(12)中输出到导光镜(2)，其中导光镜(2)的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外处，其安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器的高度；在隧道顶部位于导光镜(2)的光路中安装有倾斜平面玻璃板或平面反射镜组(3)将太阳光输导到隧道中各处路面上。

2.根据权利要求1所述的太阳光直接照明隧道装置，其特征在于：所述的反射镜组(3)中的若干个反射镜分别安装于基本照明灯之间。

3.根据权利要求1所述的太阳光直接照明隧道装置，其特征在于：所述的聚光器和导光镜(2)还分别与高精度太阳光跟踪系统相连接。

4.根据权利要求1所述的太阳光直接照明隧道装置，其特征在于：所述的聚光镜(11)的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽(12)的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度部分的高度。

5.根据权利要求1所述的太阳光直接照明隧道装置，其特征在于：所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑(4)，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜(2)安装在该亮度缓冲建筑(4)上。

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